La forte popularité des systèmes d’osmose inverse faits qu’il est impératif de bien comprendre chacune de leur particularité. Que l’on pense à leur fonctionnement, aux variations dans leur réseau de membranes ou même aux différentes étapes de traitements permettant l’atteinte de différents niveaux de qualité d’eau, comprendre les osmoses inverses est primordial dans le milieu du traitement des eaux.
Dans cet article, nous aborderons en détail les étapes de traitement des différents types d’osmose inverse en fonction de l’eau d’alimentation et la qualité d’eau visée.
Pour plus d’informations sur les osmoses inverses, voici quelques articles relatifs à ceux-ci :
- L'osmose inverse expliquée : polyvalence et efficacité
- Comment comprendre l'impact du réseau d'une osmose inverse
- Comment diminuer le gaspillage d'eau d'une osmose inverse
- Combien budgéter pour un système d'eau purifiée
Les différentes étapes possibles
Typiquement, on peut retrouver trois étapes dans un système de traitement par osmose inverse : le prétraitement, l’osmose inverse & le polissage.
Le prétraitement sert à la préparation de l’eau pour son passage dans l’osmose inverse. L’osmose inverse, quant à elle, est le pilier du traitement. Elle vient retirer la majorité des matières dissoutes dans l'eau.
Finalement, le polissage permet l’extraction des contaminants résiduels afin de produire de l’eau ultra pure pour des applications précises.
L'étape de prétraitement
Parfois appelé préfiltration, le prétraitement consiste en une étape visant à préparer l’eau pour son passage dans l’osmose inverse. Petite précision, même si le terme « préfiltration » est parfois utilisé, il n’est pas tout à fait adéquat puisque l’étape de prétraitement d’une osmose inverse ne consiste pas toujours en de la filtration.
Bref, puisque l’étape de prétraitement sert à la préparation de l’eau pour son traitement principal, soit l’osmose inverse, celui-ci doit retirer les contaminants à risque de causer des problèmes ou des complications.
De façon générale, on retrouve trois types de technologies servant au prétraitement des osmoses inverses : l’adsorption au charbon actif, les échangeurs ioniques ou la filtration.
La filtration
L’ajout d’une étape de filtration au stade de prétraitement consiste en l’installation de filtre visant à l’extraction des solides se retrouvant dans l’eau. On installe généralement la filtration comme première étape lorsque l’eau d’alimentation provient d’une source de moindre qualité (lac, rivières, etc.). La filtration permet donc de protéger les équipements installés en aval.
Comment fonctionne la filtration
Le principe est simple, un filtre ou une membrane est installé afin d’agir en tant que barrière physique pour les contaminants visés. Différents types de filtration existent, on retrouve la microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration. En fonction du type de filtration choisi, le filtre ou la membrane permettra le passage de certains contaminants et en captera d’autres.
Typiquement, la microfiltration possède des pores de 0,1 micron, l’ultrafiltration possède des pores de 0,01micron et la nanofiltration possède des pores de 0,001micron.
D’ailleurs, on retrouve plusieurs différents types de technologies de filtration offrant des micronages différents. Notamment les filtres automatiques, les filtres à tamis, les filtres à disques et bien plus.
L'utilité d'installer une étape de filtration durant le prétraitement
De façon générale, on installe une étape de filtration en amont d’une osmose inverse dans le but d’éviter le blocage du système et des membranes osmotiques. Comme nous l’avons précisé plus haut, elle est normalement installée comme première étape durant un prétraitement puisqu’elle protège non seulement l’osmose inverse, mais elle protège aussi les équipements additionnels comme les unités de charbon activé ou les échangeurs ioniques. Typiquement, l’étape de filtration permet l’extraction des grosses particules solides se trouvant dans l’eau comme les matières en suspension. En plus des matières en suspensions, on peut aussi penser aux débris organiques comme les algues, les branches ou les petits cailloux.
L'adsorption au charbon
Le charbon activé est une technique de traitement de l’eau qui permet l’extraction de certains contaminants notamment grâce au pouvoir adsorbant du charbon actif. Parmi les contaminants pouvant être retirés par le charbon, on peut penser aux phénols, à certains contaminants pouvant causer des odeurs comme le sulfure d’hydrogène ou au chlore et ses dérivés.
Le plus souvent, l’utilisation du charbon activé comme prétraitement d’une osmose inverse est justifiée par l’extraction du chlore ou de ses dérivés comme la chloramine. Le but d’extraire le chlore et ses dérivés dans l’eau avant son traitement par osmose inverse réside dans le fait que le pouvoir oxydant des molécules de chlore peut affecter l’intégrité des membranes osmotiques. Pour en apprendre plus sur l’impact des molécules chlorées sur les membranes d’osmoses inverses, consultez cet article :
Comment fonctionne le traitement au charbon activé
Le fonctionnement de base d’un système de traitement au charbon est relativement simple. Il faut installer un réservoir semblable à celui d’un adoucisseur d’eau et y déposer du charbon activé à l’intérieur.
Lorsque l’eau circule dans le lit de charbon, le pouvoir d’adsorption du charbon permet la captation des molécules contaminantes. Sans rentrer dans les détails, l’adsorption du charbon provient de la force de dispersion de London qui est créée par le mouvement des électrons durant la formation d’un dipôle temporaire. Pour en apprendre plus sur la capacité d’adsorption du charbon, la force de dispersion de London et les forces de Van Der Waals, consultez cet article : Comment le charbon activé adsorbe les contaminants?
Le charbon actif opère un peu différemment lorsqu’il est utilisé pour la déchloration de l’eau. En effet, les ions de chlore n’adhèrent pas au charbon grâce à la force de dispersion de London, mais plutôt grâce au pouvoir oxydant du chlore. Plus précisément, le charbon activé réagit de façon à créer des réactions de réduction catalytique. Sans rentrer dans les détails, une réaction de réduction, aussi connue sous le terme « redox », est une réaction où deux phénomènes s’opèrent simultanément : l’oxydation et la réduction. Autrement dit, cela signifie qu’il y a un échange d’électron entre les ions.
L'utilité d'un traitement au charbon en prétraitement
Lorsque le traitement au charbon est jugé nécessaire durant un prétraitement pour osmose inverse, c’est généralement pour deux raisons. Comme nous l’avons précisé plus haut, le charbon sert généralement à retirer le chlore et ses dérivés afin de protéger les équipements en aval. Bien que nous n’ayons précisé que les membranes d’osmose inverse, on peut aussi penser aux résines ioniques pouvant servir dans le prétraitement.
En plus de protéger les équipements contre le pouvoir oxydant du chlore, le charbon activé aura aussi un impact positif sur l’encrassement des membranes osmotique et des résines ioniques se trouvant en aval de celui-ci. En d’autres mots, la capacité d’adsorption du charbon actif vient diminuer les contaminants organiques qui ont tendance à colmater ces équipements.
Les échangeurs d'ions
Les technologies d’échangeurs ioniques consistent en une étape de traitement d’eau permettant l’ajustement ionique de l’eau. Quel que soit le type d’échangeur d’ions, ils fonctionnent tous grâce à la résine se trouvant à l’intérieur de ceux-ci.
- Un ion est un atome ou une molécule qui possède une charge électrique causée par un débalancement du nombre de protons (+) et d’électrons (-).
Comment fonctionne l'échange d'ion
Ce procédé s’effectue grâce aux résines ioniques se trouvant dans les réservoirs où l’eau circule. Ces résines permettent la captation des ions grâce aux radicaux se retrouvant sur leur surface. En d’autres mots, les résines sont chargées positivement ou négativement afin d’attirer les contaminants visés.
Durant leur fabrication, les résines se voient attribuer un ion fixe qui ira s’installer dans le squelette du polymère utilisé pour la fabrication de la résine. Afin de garder sa neutralité ionique, la résine se voit attribuer des ions amovibles de charge opposée. Ces ions se retrouvent à l’intérieur du squelette polymérique et peuvent être extraits, échangés ou enlevés de la résine. C’est grâce à ces ions amovibles que l’échange ionique peut s’effectuer.
Prenons l’exemple d’une résine cationique servant dans un adoucisseur d’eau. Pour ce type de résine, l’ion négatif de SO3- sera sur le squelette. Durant le premier cycle de régénération au sel, des ions de Na+ iront s’attacher au squelette de la résine. Lorsque l’eau contaminée de calcium ou magnésium circulera dans le lit de résine, les ions de sodium (Na+) seront échangés par ceux-ci puisqu’il y a une préférence qui se crée entre les ions de magnésium, de calcium ceux de SO3-.
Comme les contaminants pouvant se retrouver dans l’eau sont beaucoup plus vastes que la simple dureté (Mg et Ca), il existe une très grande variété de résine permettant l’échange ionique d’une diversité d’ions. Parmi les technologies utilisées pour l’échange d’ions, on retrouve les désalcaliseur, les adoucisseurs et les déminéraliseurs. D’ailleurs, on peut retrouver une différente variété de chacune de ces technologies. Pour simplifier le tout, rappelez-vous que les échangeurs ioniques peuvent être cationiques (qui retire les cations) ou anioniques (qui retire les anions).
L'utilité d'un échangeur d'ion durant le prétraitement
L’ajout d’un échangeur ionique en amont d’une osmose inverse a généralement pour but de rentabiliser les équipements. Cela signifie qu’un échangeur ionique quelconque (adoucisseur, désalcaliseur, déminéraliseur) permettra l’extraction des certains contaminants présents dans l’eau qui sont susceptibles d’encrasser les membranes d’osmose inverse.
Bien qu’il y ait des exceptions, lorsqu’un échangeur d’ions est ajouté dans le but d’allonger la durée de vie des membranes osmotiques, l’impact financier se perçoit relativement rapidement puisque les coûts associés aux échangeurs d’ions versus les coûts associés aux osmoses inverses sont très différents.
L'osmose inverse
Très souvent au centre des systèmes de traitement d’eau, les osmoses inverses sont une technologie de traitement de l’eau qui a vu sa popularité augmentée grâce à sa capacité à extraire les matières dissoutes dans l’eau. C’est principalement pour la désalinisation de l’eau que les osmoses inverses ont vu le jour et qu’elles se sont propagées partout.
Aujourd’hui, on sait qu’elles peuvent faire bien plus que la simple extraction du sel dissout dans l’eau.
Comment fonctionnent les osmoses inverses
Semblables à la filtration, les systèmes d’osmose inverse fonctionnent grâce à une barrière physique (membrane osmotique) qui bloque les contaminants indésirables. Une pression est appliquée à l’intérieur du système afin de permettre au fluide de circuler de façon tangentielle dans les membranes.
Ces systèmes fonctionnent principalement grâce aux membranes osmotiques se retrouvant dans ceux-ci. De façon simple et très générale, elles sont des membranes semi-perméables fabriquées de polymère et recouvertes d’une mince couche de polyamide.
Sans trop rentrer dans les détails, on retrouve des membranes osmotiques « de base » qui fonctionne seulement grâce à des pores d’environ 0.0001 micron se trouvant dans la membrane, mais il existe aussi des variétés plus technologiques. On peut penser aux membranes osmotiques ioniques qui sont chargées d’anions ou de cations afin d’offrir une capture sélective de certains contaminants.
- Ces membranes sont entre autres utilisées pour la récupération des métaux précieux comme l’or.
À quoi sert l'osmose inverse
Comme nous l’avons vu, les différentes étapes de prétraitement permettent l’extraction d’une majorité des contaminants comme le chlore, les solides, certains ions et même la dureté. L’osmose inverse viendra, quant à elle, extraire les matières dissoutes dans l’eau. Cela veut dire que les osmoses inverses peuvent retirer les ions monovalents ou polyvalents, certains pesticides et bien plus.
Petite note, pour surveiller le bon fonctionnement d’un traitement par osmose inverse, on surveille la conductivité de l'eau. Cela s’explique puisque la conductivité de l’eau est causée par la présence de matières dissoutes. Plus il y a de matière dissoute dans l’eau, donc d’ions, plus l’eau sera conductrice. En moyenne, on peut estimer que le perméat d’une osmose inverse aura une conductivité d’environ 5 microsiemens.
Certains traitements par osmose inverse peuvent atteindre une conductivité sous la barre des 5 microsiemens. Le tout dépend de plusieurs facteurs : l’eau d’alimentation, le type de membrane utilisée, le réseau de membrane et le nombre de passages.
Pour atteindre une pureté supérieure à celle offerte par une osmose inverse, il faut ajouter des étapes de polissage.
L'étape de polissage
Le polissage de l’eau consiste en une étape supplémentaire de traitement visant à produire de l’eau ultra pure. L’eau ultra pure trouve ses utilisations dans plusieurs secteurs comme la production de certaines composantes électroniques, les milieux hospitalier et pharmaceutique et parfois dans le secteur alimentaire.
Parmi les traitements utilisés pour le polissage de l’eau, on retrouve notamment la déionisation, la désinfection UV ou l’ozonation et une filtration finale.
Les systèmes de déionisations
Aussi connus sous le terme « déminéraliseur », les systèmes de déionisations servent à extraire tous les ions se trouvant dans l’eau.
Comment fonctionnent les systèmes de déionisation
Comme nous l’avons abordé brièvement plus haut dans cet article, les systèmes de déminéralisation font partie de la grande famille des échangeurs ioniques. Donc, il fonctionne sous le même principe que les autres échangeurs ioniques abordés ci-haut.
La différence des systèmes de déionisation réside dans les résines se trouvant à l’intérieur de ceux-ci. Comme nous l’avons précisé plus haut, les résines servent à capter les impuretés se trouvant dans l’eau. Nous avons aussi précisé que les résines se catégorisaient en deux grandes familles : les résines cationiques et les résines anioniques. Le type de résine installé dans l’échangeur ionique dépendra en fonction du type de contaminant confronté.
Dans les systèmes de déionisation, c’est un mélange des deux types de résines qu’on retrouve. Ce mélange permet donc aux systèmes de déionisation d’extraire autant les cations que les anions. En d’autres mots, ces systèmes ont la capacité d’extraire tous les ions dans l’eau.
Il est à noter que ces systèmes ne peuvent pas être utilisés pour traiter une eau trop contaminée puisque la résine, autant cationique qu’anionique, peut s’encrasser et perdre de l’efficacité. C’est la raison pourquoi on utilise généralement les systèmes de déionisation comme unité de polissage puisqu’ils ont la capacité d’extraire les résidus récalcitrants.
L'irradiation UV
La désinfection par lumière ultraviolette est un traitement très populaire qui fonctionne grâce à l’émission d’onde UV (185nm – 254nm) qui va s’attaquer à l’ADN des organismes présent dans l’eau.
Comment l'irradiation UV fonctionne
L’irradiation UV s’effectue lorsque l’eau traitée passe à l’intérieur d’un boîtier où les lampes UV émettent les ondes ultraviolettes. Lorsque ces ondes rentrent en contact avec les organismes présentes dans l’eau, l’ultraviolet est absorbé par les bases d’ADN, ce qui provoquera des modifications des liens chimiques. Ces modifications viendront interférer avec la transcription et la réplication de l’ADN, ce qui empêche la multiplication des cellules.
À noter que l’efficacité du traitement par ultraviolet est influencée par trois aspects principaux : la qualité de l’eau, l’intensité des lampes et le temps d’exposition.
Les utilisations de l'irradiation UV
Efficace contre les bactéries, les virus, les spores, les kystes et tous les autres types de micro-organisme, l’irradiation UV est généralement utilisée pour la production d’eau ultra pure.
On l’utilise aussi pour l’élimination de l’ozone résiduel suite à l’ozonation de l’eau ou de pair avec l’ozone afin d’effectuer un traitement par oxydation avancé.
- Découvrez-en plus sur l’irradiation UV dans cet article : faire la lumière sur la désinfection UV
L'ozonation
La désinfection par ozone est une désinfection chimique consistant en l’ajout d’ozone dans l’eau à traité.
Comment fonctionne la désinfection à l'ozone
Pour commencer, puisque l’ozone est un gaz très instable, il est impossible de l’emmagasiner. Cela signifie qu’il faut installer un générateur d’ozone à l’endroit d’utilisation.
En ce qui a trait au traitement, l’ozone fonctionne sensiblement comme le chlore, mais avec un pouvoir oxydant environ 3000 fois plus fort que celui du chlore. De façon simple, l’ozone se retrouvant dans l’eau ira s’attaquer aux contaminants de 4 manières différentes :
- Par oxydation directe ;
- Par réaction avec les radicaux ;
- En endommageant les acides nucléiques ;
- En rompant les liaisons des polymères (dépolymérisation)
Comme l’irradiation UV, l’ozonation est utilisée pour la production d’eau ultra pure dans des secteurs précis. Vu la puissance de l’ozone, ce type de traitement se fait extrêmement rapidement. En revanche, il peut être difficile de bien doser la quantité d’ozone nécessaire. C’est pourquoi, même si l’O3 se décompose rapidement, il faut parfois prévoir une étape visant à extraire les résidus d’ozone.
Rappelons que l’Irradiation UV peut être utilisée pour extraire les résidus d’ozone, ou ces deux technologies peuvent être utilisées ensemble pour effectuer un traitement par oxydation avancé. En revanche, il est important de préciser que ces deux technologies peuvent aussi être utilisées individuellement.
Filtration finale
L’étape de filtration finale sert lorsqu’une étape de désinfection (UV ou Ozone) est utilisée. Elle sert à retirer les résidus des micro-organismes qui ont été « éliminés » par le traitement précédent.
Comment fonctionne la filtration finale
L’étape de filtration finale consiste simplement en l’installation d’un filtre agissant en tant que barrière physique afin de capter les « corps » organiques restant dans l’eau. Pour ce faire, il suffit d’installer une membrane ou un filtre possédant des pores de 0.2 micron et moins.
Cette étape est importante afin d’éviter la recontamination bactériologique du perméat.
Boucle de recirculation
Cette « étape » de traitement sert à maintenir le perméat en mouvement continu afin d’éviter la reformation de contaminant. En effet, même l’eau ultra pure peut promouvoir la formation de bactéries variées lorsqu’elle est stagnante pour un trop grand laps de temps.
Donc, pour éviter les problèmes durant l’utilisation, l’eau doit parfois être maintenue en mouvement continuelle à l’intérieur du système. C’est dans ces moments qu’une boucle de recirculation est installée.
Même s’il existe plusieurs types de boucle de circulation, leur principe et objectif restent sensiblement les mêmes : maintenir l’eau en mouvement afin d’éviter la recontamination bactérienne.
La complexité des osmoses inverses
Qu’on les utilise pour produire de l’eau potable dans un camp minier ou qu’elles servent à la production d’eau parentérale, les systèmes de traitement d’eau par osmose inverse diffèrent grandement. Comme vous l’avez compris, les différentes étapes de traitements varient en fonction des besoins de l’utilisateur et des paramètres de l’eau d’alimentation.
Il faut donc comprendre que les systèmes de traitement d’eau par osmose inverse doivent être adaptés à vos besoins afin de fonctionner adéquatement. D’ailleurs, le bon choix d’un tel système vous permet généralement non seulement d’atteindre de façon continue vos objectifs de qualité d’eau, mais aussi d’économiser de l’argent en coûts opérationnels.
Bref, nous espérons que cet article a su répondre à vos interrogations relativement aux différents systèmes d’osmose inverse. Si vous avez des questions ou des interrogations, nous vous invitons à visiter notre FAQ, notre blog ou à nous écrire.